właściwości powłok natryskanych plazmowo i hvof

6-2010
TRIBOLOGIA
319
Wojciech ŻÓRAWSKI*
WŁAŚCIWOŚCI POWŁOK NATRYSKANYCH
PLAZMOWO I HVOF
PROPERTIES OF PLASMA AND HVOF SPRAYED
COATINGS
Słowa kluczowe:
natryskiwanie plazmowe, HVOF, powłoka kompozytowa, zużycie, zatarcie
Key words:
plasma spraying, HVOF, composite coating, wear, scuffing
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości natryskanych plazmowo i naddźwiękowo powłok NiCrBSi/Fe2O3. Zastosowana technika
natryskiwania ma wpływ na skład fazowy natryskanych powłok. Powłoki
natryskane naddźwiękowo miały znacznie mniejszą porowatość niż powłoki natryskiwane plazmowo. Na podstawie przeprowadzonych badań
można stwierdzić, że powłoki natryskane naddźwiękowo wykazały większą odporność na zużywanie ścierne. Wraz z zawartością Fe2O3 w mieszaninie malała odporność powłok na zużycie. Powłoki natryskane pla*
Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, e-mail: [email protected].
320
TRIBOLOGIA
6-2010
zmowo miały wyższą odporność na zatarcie niż powłoki natryskane naddźwiękowo.
WPROWADZENIE
Praktyczne wykorzystanie strumienia plazmy umożliwiło zastosowanie
wielu nowych materiałów, zwłaszcza tych o wysokiej temperaturze topnienia. Nowe możliwości otrzymywania powłok stworzyło natryskiwanie naddźwiękowe HVOF (High Velocity Oxyfuel) wprowadzone do
przemysłu pod koniec lat 80. ubiegłego stulecia. Był to rezultat poszukiwań rozwiązań ukierunkowanych na zwiększenie energii kinetycznej
natryskiwanych cząstek, które doprowadziły do opracowania nowej generacji pistoletów, w których wypływający strumień osiąga prędkości naddźwiękowe. W najnowszych rozwiązaniach sięga on 2900 m/s. Bardzo
wysoka prędkość strumienia umożliwia uzyskanie przez cząstki materiału
powłokowego bardzo dużej energii kinetycznej przy jego umiarkowanym
nagrzaniu. Ponieważ czas przebywania cząstek w strumieniu gazów jest
bardzo krótki, ogranicza to w znacznym stopniu proces ich utlenienia
i powstawania niekorzystnych zmian fazowych, które powstają podczas
natryskiwania plazmowego [L. 1–3].
Bardzo szeroki zakres materiałów stosowany w natryskiwaniu plazmowym i naddźwiękowym umożliwia natryskiwanie mieszanin proszków i otrzymywanie powłok o własnościach, które są niemożliwe do
otrzymania innymi metodami. Należą do nich powłoki kompozytowe
zawierające smar stały [L. 4–6]. Celem niniejszej pracy było zbadanie
właściwości natryskanych plazmowo i naddźwiękowo powłok kompozytowych NiCrBSi/Fe2O3.
EKSPERYMENT
Jako materiał powłokowy na osnowę kompozytu zastosowano proszek
NiCrBSi firmy AMIL GmbH. Drugi składnik mieszaniny stanowił
oczyszczony tlenek żelazowy Fe2O3. Mieszaniny do natryskiwania
otrzymano w wyniku mechanicznego mieszania przez okres 1 godziny
proszku NiCrBSi z dodatkiem 10, 20, 30, 40 i 50% udziału objętościowego proszku Fe2O3. Natryskiwanie plazmowe wykonano za pomocą
zestawu plazmowego Plancer współpracującego z pistoletem PN-120
oraz podajnikiem proszku Thermal Miller 1264. Jako gaz plazmotwórczy
zastosowano argon z 7% dodatkiem wodoru. Powłoki natryskane HVOF
6-2010
TRIBOLOGIA
321
zostały nałożone za pomocą systemu do natryskiwania naddźwiękowego
Diamond Jet firmy Sulcer Metco z zastosowaniem mieszaniny propanowo-tlenowej. Badania mikrotwardości, odporności na ścieranie oraz odporności na zatarcie przeprowadzono dla powłok natryśniętych plazmowo i naddźwiękowo z proszku NiCrBSi oraz wszystkich mieszanin. Analizę składu fazowego proszków oraz natryśniętych powłok przeprowadzono za pomocą dyfraktrometru D-8 Advance firmy Bruker. Pomiary
porowatości wykonano dla powłok natryskanych z proszku NiCrBSi,
Fe2O3, oraz mieszaniny proszku NiCrBSi z 50% udziałem objętościowym proszku Fe2O3. Badania mikrotwardości przeprowadzono na twardościomierzu firmy Zwick 3210. Pomiary porowatości wykonano na
zgładach metalograficznych za pomocą mikroskopu Metaplan 2
i analizatora obrazu Quantimet 570 color. Badania wykonano dla powłok
NiCrBSi, Fe2O3 oraz NiCrBSi + 11,5% wt. Fe2O3. Dla natryskanych plazmowo i naddźwiękowo powłok z proszków NiCrBSi/Fe2O3 zostały
przeprowadzone badania zużycia za pomocą testera tribologicznego T-05
typu rolka–klocek. Test przeprowadzono przy następujących parametrach: prędkość obrotowa rolki – 32 obr./min, obciążenie klocka – 4,9 N,
czas testu – 1 h. Badania odporności na zacieranie przeprowadzono
z użyciem testera tribologicznego T-09 typu Falex.
WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE
Badania składu fazowego
Badania składu fazowego przeprowadzono dla natryskanego proszku
oraz powłok (Tab. 1). Umożliwiły one zidentyfikowanie przemian i różnic składu fazowego badanych materiałów w zależności od udziału
składników w kompozycie oraz metody wytwarzania. W badanym proszku NiCrBSi oraz natryskanych powłok podstawową fazę stanowi nikiel,
który jest głównym składnikiem natryskiwanego proszku (70,51%). Pozostałe składniki to twarde kryształy borków i krzemków, z których tylko
faza Ni2B jest obecna we wszystkich warstwach. W przypadku natryskanej plazmowo warstwy z proszku NiCrBSi nie zostały zidentyfikowane
fazy Cr3Si, Cr5B3, CrB. Natomiast wyniki badań natryskanej naddźwiękowo powłoki NiCrBSi nie wykazały jakościowych zmian jej składu fazowego w porównaniu ze składem fazowego proszku.
322
TRIBOLOGIA
6-2010
Tabela 1. Analiza fazowa proszków i natryskanych powłok
Table 1. Phase analysis of powders and sprayed coating
BADANY
MATERIAŁ
Proszek NiCrBSi
NATRYSK
FAZY
bez natrysku
Ni(Me), Cr3Si, Ni31Si12, Ni2B, Cr5B3, CrB
Warstwa NiCrBSi
APS
Ni(Me), Ni31Si12, Fe2O3 – maghemit, Ni2B
Warstwa NiCrBSi
HVOF
Ni(Me), Cr3Si, Ni31Si12, Ni2B, Cr5B3, CrB
Mikrotwardość
Pomiary mikrotwardości powłok natryskanych cieplnie wykazują znaczny rozrzut, co jest związane z ich budową. Lamellarna struktura składa
się z fazy stałej składającej się ze związków wchodzących w skład materiału powłokowego i ich odmian fazowych oraz porów. Wyniki badań
będące rezultatem 10 pomiarów dla każdej powłoki są przedstawione
w Tab. 2. Zmiany mikrotwardości powłok w funkcji zawartości Fe2O3
w mieszaninie nie pozwalają na wnioskowanie o wartości mikrotwardości powłoki na podstawie składu mieszaniny. Jest to trudne do wyjaśnienia, ponieważ można się spodziewać, że wzrost udziału Fe2O3 spowoduje
spadek twardości badanej powłoki kompozytowej. W natryśniętych powłokach można wyróżnić trzy fazy: osnowę niklową, twarde fazy borkowe i krzemowe oraz fazę Fe2O3. Taki skład fazowy może być przyczyną
trudności w uzyskaniu pomiaru twardości reprezentatywnego dla całej
powłoki. Ponadto rzeczywisty udział objętościowy Fe2O3 w strukturze
powłoki kompozytowej jest znacznie mniejszy. Wiąże się to również ze
stratami Fe2O3 w czasie natryskiwania powłoki.
Tabela 2. Wyniki pomiarów mikrotwardości natryskanych powłok
Table 2. Results of measurements of sprayed coatings microhardness
Udział % obj.
Fe2O3 w mieszaninie
0
10
20
30
40
50
Wartość średnia HV0,5
Plazma
HVOF
482,33
609,13
499,67
450,73
565,30
593,83
529,10
696,13
449,27
614,93
714,37
609,80
Odchylenie standardowe HV0,5
Plazma
HVOF
27,52
9,24
48,43
6,39
6,98
20,28
4,45
7,90
4,73
18,27
5,99
8,35
6-2010
TRIBOLOGIA
323
Porowatość
Pomiar porowatości to rezultat zapisania z każdej próbki po 10 obrazów
szarych przy powiększeniu 400x, skok stolika mikroskopu 0,4 x 0,4 mm,
liczba pól 10, następnie wykonania detekcji obrazów szarych, a na
otrzymanych obrazach binarnych wykonano pomiary powierzchni zajętej
przez porowatość oraz obliczono wartość średnią i odchylenie standardowe (Tab. 3).
Na podstawie przeprowadzonych badań porowatości można stwierdzić, że wszystkie powłoki natryskane naddźwiękowo mają znacznie
mniejszą porowatość niż powłoki natryskane plazmowo (Tab. 3). Wysoka
energia kinetyczna cząstek ma w tym przypadku decydującą rolę, natomiast
stopień przetopienia ziaren proszku nie ma tak istotnego wpływu na tę cechę. Różnica ta jest największa w przypadku powłok otrzymanych z proszku NiCrBSi, gdzie powłoka nałożona plazmowo ma porowatość 3,24 razy
większą niż powłoka natryśnięta naddźwiękowo. Różnice te wynoszą odpowiednio 2,49 dla powłok z Fe2O3 i 1,59 dla powłok natryśniętych z mieszaniny NiCrBSi + 50%Fe2O3. W przypadku natryskanych mieszanin
otrzy-mane wartości porowatości są największe, a ich różnica jest najmniejsza. Widoczny jest tu wpływ niejednorodności materiału powłokowego w postaci mieszaniny składającej się z proszków o bardzo zróżnicowanej morfologii ziarna i innym rozkładzie granulometrycznym.
Tabela 3. Wyniki pomiarów porowatości natryskanych powłok
Table 3. Results of measurements of sprayed coatings porosity
Powłoka
Natryskiwanie
NiCrBSi
NiCrBSi
Fe2O3
Fe2O3
NiCrBSi + Fe2O3
NiCrBSi + Fe2O3
Plazma
HVOF
Plazma
HVOF
Plazma
HVOF
Porowatość, %
Wartość średnia
Odchylenie stand.
16,41
2,96
5,06
0,89
11,91
0,98
4,78
0,93
19,29
1,92
12,14
1,73
Dodatek proszku Fe2O3 o płatkowej budowie wpłynął negatywnie na
budowę powłoki niezależnie od prędkości i temperatury strumienia
cieplnego. Dlatego też w przypadku zastosowań mieszanin uzasadniona
jest konieczność optymalizacji parametrów natryskiwania w celu zmniejszenia porowatości.
324
TRIBOLOGIA
6-2010
Odporność na ścieranie
Wyniki pomiarów ubytku masy badanych rolek z powłokami
i współpracujących z nimi klockami (dla 3 powtórzeń) są przedstawione
na Rys. 1 i Rys. 2.
Rys. 1. Wyniki badań zużycia ściernego powłok natryskanych plazmowo
Fig. 1. Results of tests of plasma sprayed coatings abrasive wear
Rys. 2. Wyniki badań zużycia ściernego powłok natryskanych naddźwiękowo
Fig. 2. Results of tests of HVOF sprayed coatings abrasive wear
Otrzymane wyniki pokazują, że wzrost udziału Fe2O3 w mieszaninie
powoduje zmniejszenie odporności na zużywanie powłok natryskiwanych plazmowo oraz naddźwiękowo. Na podstawie przeprowadzonych
badań można stwierdzić, że powłoki natryskane naddźwiękowo wykazały
większą odporność na zużycie ścierne. Przyczyną wzrostu zużycia powłok jest zwiększenie udziału Fe2O3 w mieszaninie z NiCrBSi, co spowodowało zmniejszenie ich spójności. Obecne w powłokach pasma tlenkowe stanowią fazę, która obniża siły kohezji w matrycy, co ułatwia oddzielanie się lamelli lub ich części od niej w czasie współpracy
z przeciwpróbką. Powłoki natryskane naddźwiękowo mają większą
spójność (mniejszą porowatość, mniejszą ilość pasm tlenkowych) i dlate-
6-2010
TRIBOLOGIA
325
go powstałe produkty zużycia powodują większe zużycie przeciwpróbki
niż w przypadku powłok natryskanych plazmowo, w których stwierdzono
obecność cienkich pasm tlenkowych pomiędzy lamelkami i większą porowatość.
Badania odporności na zatarcie
Wyniki badań dla trzech pomiarów dla każdej powłoki są przedstawione
w Tab. 4.
Tabela 4. Wyniki pomiarów odporności powłok kompozytowych na zatarcie
Table 4. Results of measurements of sprayed coatings scuffing resistance
Udział % obj.
Fe2O3 w mieszaninie
0
10
20
30
40
50
Wartość średnia, N
Plazma
HVOF
1568,33
1455,00
1551,67
1431,67
1638,33
1481,67
1843,33
1656,67
2121,67
1868,33
2138,33
1916,67
Odchylenie standardowe, N
Plazma
HVOF
80,36
43,54
20,82
66,02
20,21
111,50
345,59
275,79
263,64
523,22
340,64
196,04
Otrzymane wartości maksymalnej siły obciążającej powodującej zatarcie dla powłok natryśniętych plazmowo są w każdym przypadku większe niż dla powłok natryskanych naddźwiękowo. Odporność na zatarcie
powłoki natryskanej z mieszaniny zawierającej 50% Fe2O3 jest nieznacznie większa niż powłoki, która została natryskana z mieszaniny zawierającej 40% Fe2O3. Może to być spowodowane mniejszym stopniem osadzania się samodzielnych płatkowych cząstek Fe2O3 w czasie natryskiwania zarówno plazmowego, jak i naddźwiękowego. Odchylenia standardowe dla tych powłok są znacznie większe niż w przypadku powłok
o mniejszej zawartości składnika będącego smarem stałym. Przyczyną
takiego zjawiska może być niejednorodność struktury powłok otrzymywanych z mieszanin proszków o różnej morfologii i rozkładzie granulometrycznym.
WNIOSKI
1. Przeprowadzona analiza fazowa wykazała, że natryskana plazmowo
powłoka NiCrBSi ma inny skład fazowy niż powłoka natryskana naddźwiękowo.
326
TRIBOLOGIA
6-2010
2. Natryskane naddźwiękowo powłoki NiCrBSi, NiCrBSi/ Fe2O3 oraz
Fe2O3 mają niższa porowatość niż powłoki natryskane plazmowo.
3. Powłoki natryskane naddźwiękowo wykazały większą odporność na
zużycie niż powłoki natryskane plazmowo.
4. Natryskane plazmowo powłoki NiCrBSi mają wyższą odporność na
zatarcie niż powłoki natryskane naddźwiękowo.
LITERATURA
1. Żórawski W.: HVOF spraying as an alternative to chromium plating. International Conference „Modern Wear and Corrosion Resistant Coatings Obtained by Thermal Spraying” Warszawa 2003.
2. Maiti A., Mukhopadhyay N., Raman R.: Effect of adding WC powder to
the feedstock of WC-Co-Cr based HVOF coating and its impact on erosion
and abrasion resistance. Surface and Coating Technology 201(2007),
7781–7788.
3. Qiao, Yunfei; Fischer, Traugott E.; Dent A.: The effects of fuel chemistry
and feedstock powder structure on the mechanical and tribological properties of HVOF thermal-sprayed WC–Co coatings with very fine structures.
Surface and Coatings Technology Volume: 172, Issue: 1, July 15, 2003,
pp. 24–41.
4. Huang Ch., Du L., Zhang W.: Effects of solid lubricant content on the microstructure and properties of NiCr/Cr3C2–BaF2·CaF2 composite coatings.Journal of Alloys and Compounds Volume: 479, Issue: 1–2, June 24,
2009, pp. 777–784.
5. Cherigui M., Fenineche N.E., Coddet C.: Structural study of iron-based
microstructured and nanostructured powders sprayed by HVOF thermal
spraying. Surface and Coatings Technology, Vol. 192, Issue: 1, March 1,
2005, pp. 19–26.
6. Heshmat H., Hryniewicz P., Walton II J.F., Willis J.P., Jahanmir S., DellaCorte C.: Low-friction wear-resistant coatings for high-temperature foil
bearings. Tribology International Volume: 38, Issue: 11–12, November,
2005–December, 2006, pp. 1059–1075.
Recenzent:
Michał STYP-REKOWSKI
6-2010
TRIBOLOGIA
327
Summary
Nowadays plasma spraying and supersonic spraying processes are
widely applied in many branches of industry. This paper presents
current achievements in this area and the results of investigations of
plasma and supersonic sprayed NiCrBSi/Fe2O3 coatings. It was
found that the microstructures of coatings depend on the method of
spraying. The tests show that supersonic coating possesses lower
porosity and scuffing resistance. The investigations concluded that
supersonic sprayed coatings posses higher wear resistance. The increase of the Fe2O3 portion in the composite coating causes a decrease of the wear resistance of coatings.